Gotovo trećinu svog života ljudi provedu spavajući. Loš san utječe na zdravlje, od dijabetesa i bolesti srca, preko hipertenzije i poremećaje raspoloženja, do oslabljenog imunološkog sustava i povećanog rizika od smrtnosti.

Računa se da je 2019. godine sektor proizvoda, usluga i aplikacija povezanih sa spavanjem, objedinjen pod nazivom globalne ekonomije spavanja, vrijedio 432 milijarde dolara. Problemi sa spavanjem koji prate pandemiju Covida-19, samo će dodatno ubrzati rast ove industrije.

Nosivi uređaji za praćenje moždanih signala

Elektroencefalografija (EEG) neizostavna je komponenta bilo kojeg sustava za nadzor spavanja. Izrada elektroda koje mogu mjeriti EEG od vlasišta najveći je dizajnerski izazov uređaja za praćenje spavanja koji se mogu koristiti izvan bolnica. 

Neki novi sustavi koriste nove materijale i strukture koje omogućuju pouzdano mjerenje EEG-a na vlasištu. Dreem Headband mjeri sedam EEG izvoda iz suhih elektroda na čelu i stražnjem dijelu glave. Ovaj bežični sustav uključuje PPG senzor za mjerenje otkucaja srca (HR) i troosni akcelerometar za mjerenje pokreta, položaja i brzine disanja. Algoritam dubokog učenja treniran je na 423 skupa podataka.

Upotreba vodljivog gela i postavljanje kapica s elektrodama na glavu dugotrajan je i dosadan posao, baš kao i čišćenje nakon skidanja uređaja. Stoga mnogi novi sustavi koristiti čelo kao alternativno mjesto mjerenja EEG-a.

Sleep Profiler, sustav kućnog nadzora spavanja tvrtke Advanced Brain Monitoring, omogućuje bežično praćenje spavanja pomoću tri frontopolarne EEG elektrode na čelu. Uređaj je opremljen senzorom za fotopletizmografiju (PPG), mikrofonom i akcelerometrom za praćenje brzine pulsa, hrkanja i kretanja tijela. Ugrađeni softver analizira spektar snage moždanih valova i automatski klasificira faze spavanja. 

Za mjerenje EEG-a testirani su i drugi dijelovi tijela poput uha. Platforma "cEEGrid" fleksibilna je, tanka ljepljiva traka s deset ugrađenih elektroda koja se pričvršćuje iza uha. Postoje i EEG mjerni sustavi s 12 suhih elektroda postavljenih na čepiće za uši. 

Nosivi monitori srčane aktivnosti

Sve su manji i za nošenje jednostavniji i prijenosni EKG uređaji koji mjere srčanu aktivnost. Bežični uređaj kakav je T-REX korejske tvrtke Taewoong Medical sastoji se od tankog, fleksibilnog ljepljivog flastera na bazi tkanine integriranog s tri elektrode i akcelerometrom. Ovim uređajem procjenjuju se puls, brzina disanja i stupanj pokreta tijela. Tim se parametrima hrani algoritam strojnog učenja za otkrivanje budnosti.

Postoje i flasteri koji mjere EKG iz prsnog koša, ali s dodanim brojem senzora i poboljšanom funkcionalnošću. Integrirani stetoskop srčanu aktivnost prati fonokardiogramom (PCG), a disanja mjerenjem plućnog zvuka. Ti se parametri zatim koriste za procjenu pulsa i varijabilnost otkucaja srca. 

Senzori na osnovi tkanine i suhe elektrode često se integriraju u odjeću. Bežični uređaj Movesense za nadzor spavanja dojenčadi nosi se preko pelene, a dvije tekstilne EKG elektrode integrirane na pojasu u kontaktu su s trbuhom. Uređaj koristi senzore pokreta koji se sastoje od akcelerometra, žiroskopa i magnetometra, a signali su dovoljno kvalitetni da razlikuju REM, NREM i fazu budnosti. 

Bežični senzorni prsluk MagIC-Space integriran je pak s dvije tekstilne EKG elektrode na prsima i tekstilnom pletizmografskom trakom koja se omotava oko prsa na vrhu EKG elektroda za pouzdano mjerenje kontakta elektroda i disanja.

Tu su i akcelerometri za mjerenje seizmokardiograma (SCG). Ovaj sustav dovoljno je precizan da može uspješno izmjeriti vitalne znakove sna astronauta na Međunarodnoj svemirskoj postaji.

Mjerenje pulsa tijekom spavanja

Iako je EKG zlatni standard za praćenje rada srca, mjerenje pulsnog vala pomoću PPG-a široko je prihvaćeno kao jeftina, jednostavna i prenosiva alternativa za mjerenje pulsa i varijabilnost otkucaja srca. PPG-u je potrebna samo jedna jedinica LED-a i fotodiode i može se mjeriti na raznim mjestima tijela pa se lako integrira u nosive uređaje poput narukvica. 

MORFEA je bežični uređaj koji se montira na nos kako bi se otkrila apneja u snu. Ovaj uređaj može identificirati pet različitih položaja tijela tijekom spavanja s različitim vrijednostima pomaka generiranim u podacima akcelerometra.

Standardna pulsna oksimetrija radi se na vršku prsta. No, nedavni razvoj sustava za nadzor spavanja s pulsnom oksimetrijom mogao bi mjeriti signale na raznim drugim dijelovima tijela. Najnoviji i poznati primjer za to su pametni satovi koji mogu mjeriti zasićenost krvi kisikom tijekom dana i noći. Na zapešću se nosi i bežični pulsni oksimetar PulseWatch koji se sastoji od zelenih, crvenih i IR LED dioda s fotodiodom integriranom na narukvicu. 

Efikasni su i novi sustavi koji pulsnu oksimetriju mjere u ušnom kanalu, brže nego na prstu. Izrađeni su i ljepljivi zavoji sastavljeni od LED-a i fotodioda koji se pričvršćuju na čelo kako bi se izmjerilo zasićenje krvi kisikom, kao i triboelektrični senzor naprezanja na tekstilu u narukvici za mjerenje pulsnih valova.

Nosivi senzorski sustavi za praćenje disanja

Mjerenje protoka zraka kroz nos termički osjetljivim senzorom jedna je od glavnih metoda praćenja disanja za vrijeme spavanja. Istraživači predlažu manje nametljivi sustav na bazi površinskog akustičnog vala (SAW). Tanak, fleksibilan senzor stavlja se oko nosnica i nadzire disanje pomoću osjetljivosti na promjenu vlage. Ovaj je sustav bežičan i pasivan pa ne treba bateriju ili izravni ulaz snage u sustav. 

Disanje u snu provjerava se i mjerenjem fizičkog širenja prsa i trbuha. Novi tip pojasa izrađen je od triboelektričnog nanogeneratora (TENG). Riječ je o relativno novoj tehnologiji, fleksibilnoj, dugotrajnoj, visoko osjetljivoj i brzog odziva. Tu je i rastezljivi senzor nalik tetovaži koji se sastoji od kompozita jednoslojnog grafena, ultratankog granuliranog paladija i vodljivog polimera. 

Elektronika za praćenje pokreta tijela

Kod poremećaja spavanja mjere se i povremeni pokreti udova u snu (PLMS), izmjenična aktivacija mišića nogu (ALMA) i hipnagoško drhtanje stopala (HFT). BioStampRC nudi bežični, fleksibilni, ljepljivi flaster koji može mjeriti različite elektrofiziološke signale, uključujući EMG nogu. Pričvršćen na prsa, ovaj uređaj može mjeriti EKG i brzinu disanja ugrađenim akcelerometrom. 

Osmišljen je i potpuno prijenosni bežični senzor položaja spavanja male snage, zasnovan na akcelerometru za dojenčad. Korištenjem novih sklopova za uštedu energije i algoritma za napajanje, potrošnja energije mogla bi se smanjiti ispod 1 mW uz pomoć fleksibilne papirnate baterije. Uređaj se nosi na leđima i otkriva promjenu položaja koji može poremetiti disanje. Uređaj detektira opasni položaj i šalje signal baznoj stanici koja alarmira roditelja da premjesti bebu.

Praćenje dodatnih signala povezanih sa spavanjem

Nedavni napredak u nosivim senzorima i uređajima pogurao je i potencijalnu primjenu raznih drugih vrsta fizioloških signala u praćenju spavanja. Empatica E4 je fleksibilni bežični integrirani EDA uređaj u obliku narukvice. Služi za mjerenje elektrodermalne aktivnosti i pritom pokazuje jasnu razliku u razini vodljivosti kože u budnom stanju i u snu. 

U fazi ispitivanja su i potpuno integrirani, bežični mekani elektronički sustavi dizajnirani za mjerenje EDA iz zapešća koji se, između ostalog, koriste i grafenom tiskanim tehnologije aerosolnog mlaznog tiska. Elektronički sklop obuhvaća i tanke tragove bakra. Sve ključne komponente integrirane su na mekanu, fleksibilnu i rastezljivu silikonsku elastomernu podlogu.